Ученые создали 3D-принтер для печати человеческой кожи (видео)

Медицина является одной из тех отраслей, которые нуждаются в инновационных технологиях, возможно даже более, чем все остальные – ведь зачастую на кону стоят здоровье и даже жизни сотен тысяч людей. Ученые всего мира работают над созданием новых решений, многие из которых совсем недавно казались

По оценкам ВОЗ, ежегодно около 11 млн пациентам в мире показана пересадка кожи после ожогов, а у 265 тыс. пострадавших повреждения кожи настолько обширны, что ведут к летальному исходу. Пересадка кожи требуется также в результате различных патологий, инфекций, после операций по удалению раковых опухолей, из-за генетических и соматических болезней.

Обычно для восстановления кожи используются аутогенные трансплантаты, когда участок кожи берут у самого реципиента. К сожалению, при большой площади ожогов бывает невозможно найти подходящие участки в достаточном количестве.

Медики пытаются исследовать разные технологии для получения подходящего заменителя, но пока что результаты далеки от идеальных: материал получается слишком хрупкий, с ним трудно работать, после пересадки он слишком чувствителен к контакту. В общем, существующие методы изготовления дают чрезвычайно непредсказуемый результат.

В последние годы с помощью новых технологий учёным удалось разработать гораздо более продвинутые субстраты, в которых кожные и эпидермальные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом как во время созревания в лаборатории, так и после трансплантации на тело человека. В частности, для изготовления таких субстратов сейчас активно применяется белок фибриноген (и его производный белок фибрин) — компонент плазмы крови, который синтезируется в печени. Этот белок оказался отличным материалом для искусственного субстрата кожи — он дёшев, доступен в большом количестве и удобен в работе.

Учитывая большой спрос на искусственную кожу, исследователи поставили цель оптимизировать технический процесс — сократить время и стоимость работ, а также максимально автоматизировать работу. И у них получилось.

Группа испанских учёных из Мадридского университета имени Карлоса III, Центра энергетических, экологических и технологических исследований, больницы Hospital General Universitario Gregorio Marañón и коммерческой компании BioDan Group разработали технологический процесс 3D-биопечати, который кажется им наиболее оптимальным, с учётом опыта, накопленного предшественниками. Они применили технику биопечати free-form fabrication (FFF) для печати слоёв с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, как было описано выше. В отдельных слоях размещаются фибробласты и кератиноциты, полученные в результате биопсии кожи.

Биопринтер для печати человеческой кожи. В четырёх картриджах — плазма крови, фибробласты, хлорид кальция и кератиноциты. Печатью управляет контроллер Arduino (ATmega2560) с RAMPS 1.4 и ЖК-дисплеем. Принтер с двумя шаговыми электродвигателями работает на свободной прошивке Marlin, расчёт траекторий для нанесения слоёв выполняет программа Repetier 0.53. Для контроля объёма наносимой жидкости написан скрипт на C++.

Приживление образца напечатанной человеческой кожи на мыши с иммунодефицитом прошло успешно. На иллюстрациях ниже показан гистологический анализ образца через 8 недель после пересадки.

Разработанный метод позволяет печатать функциональную человеческую кожу, используя простое оборудование на Arduino и дешёвые материалы: плазму крови, фибробласты и кератиноциты. Тесты показали, что напечатанная кожа очень похожа на настоящую. По мнению разработчиков, такой метод позволяет печатать кожу в объёмах, необходимых для клинического и коммерческого использования. Так, фрагмент кожи 100 см² изготавливается за 35 минут, включая 30 минут застывания фибрина.

Исследователи считают, что за счёт автоматизации и стандартизации печати можно ожидать в будущем значительного удешевления кожи.